The spinel structure (general formula AB2O4) is widely occurring in natural and synthetic materials, and has a marked technological and scientific significance due to its magnetic, electric and multiferroic behaviours. The presence of transition metal cations with multiple oxidation state and the resulting charge, orbital and spin degrees of freedom of the partially occupied d-orbitals lead to uniquely ordered ground states. The coupling of all the three degrees of freedom can result in a structurally distorted ground state where the direct metal-metal interaction forms atomic clusters, or 'orbital molecules'. The Verwey phase of magnetite (Fe3O4), occurring below TV ~ 125 K, is driven by a cooperative bond distortion that forms linear Fe3+-Fe2+-Fe3+ arrangement (trimeron). The effect of non-stoichiometry and chemical modification on this complex structure has been investigated with a variety of samples through microcrystal synchrotron XRD. A mineral sample (Al, Si, Mg and Mn impurities, TV = 119 K) confirms the Verwey phase as the most complex long-range electronic order known to occur naturally; its relevance in space sciences is discussed. Moreover, the structural analysis of two synthetic magnetites (Fe3(1-δ)O4 with 3δ = 0.012 and TV = 102 K, Fe3-xZnxO4 with x = 0.03 and TV = 90 K) univocally confirmed the persistence of the transition, and its first order, at doping level > 1 %, contrary to previous reports. Moreover, the temperature evolution of the trimerons and their persistence above TV was probed through X-ray Pair Distribution Function analysis on pure Fe3O4: the data analysis between 90 K < T < 923 K show that the Verwey phase goes from long-range ordered (T < 125 K) to short-range ordered (T > 850 K). Magnetite can thus only be considered to have a regular cubic spinel structure above the Curie temperature (TC = 858 K). The pyrochlore lattice of B cations in a spinel gives the structure the potential for frustration upon antiferromagnetic ordering. Fe2GeO4 and γ-Fe2SiO4 were synthesised through conventional solid state routes, with the use of high-pressure synthesis for the latter. Magnetometry and heat capacity measurements highlighted two transitions (Tm1 = 8.6 K and Tm2 = 7.2 K, and Tm1 = 11.2 K and Tm2 = 7.5 K respectively). Powder neutron diffraction data between 2 K < T < 25 K showed that both materials stay undistorted below TN. Magnetic Rietveld refinement led to two highly unconventional magnetic structures, with incommensurate propagation vectors and modulation of the moment magnitude. γ-Fe2SiO4 also shows a spin-ice order below Tm2. The results are unique and unusual for transition metal oxides; the models are systematised by proposing a 'frustration wave' model, in which the degree of frustration is a spatial quantity that can be distributed through the structure in order to stabilise the ground state.

Tous les cristallins des vertébrés sont transparents et ont un pouvoir de réfraction. Ceci est dû à l'arrangement régulier de cellules et à l'expression différentielle de protéines spécifiques, les cristallines. L'indice de réfraction croissant du cortex vers la région nucléaire est associé à l'augmentation de la concentration en cristallines. La région nucléaire, où l'indice de réfraction est le plus haut, est enrichie en γ-cristallines, une famille de polypeptides monomériques synthétisés principalement pendant le développement précoce, qui jouent un rôle important en formant un ensemble de protéines très dense. Cependant, cette concentration élevée est près d'un point critique où les protéines très solubles subissent une séparation de phase, conduite par une concurrence de forces d'interactions protéine-eau, eau-eau et protéine-protéine. Cette séparation de phase est cruciale dans l'opacification des cellules du cristallin trouvée dans certaines formes de cataracte mammifère. Une étude de diffraction de neutrons à haute résolution peut compléter les données existantes aux rayons X et peut nous permettre de faire une analyse détaillée et complète de l'organisation du solvant autour de la γcristalline. Ceci fournira une base structurale pour étudier les interactions protéine-solvant, solvant-solvant et protéine-protéine. Cette étude peut être considérablement facilitée par l'utilisation de la protéine entièrement deutériée. La substitution du deutérium à l'hydrogène réduit le bruit de fond incohérent causé par les hydrogènes, renforçant alors le rapport signal sur bruit. L'échange de l'hydrogène par le deutérium peut être fait en trempant le cristal de protéine dans une solution deutériée mais seulement 25% de hydrogènes totaux de la protéine sont alors échangés. Un échange total peut être uniquement effectué par une biosynthèse protéique in vivo, en utilisant une culture bactérienne dans un milieu deuterié. La γE cristalline de rat a été choisie comme un système modèle pour localiser les atomes d'hydrogène des molécules d'eau entourant la protéine et ceux impliqués dans des intéractions stabilisantes. De grandes quantités de protéines hydrogénées et perdeutériées ont été exprimées dans Escherichia coli, qui a poussé dans un milieu minimal, et elles ont ensuite été purifiées. Par spectrométrie de masse, le niveau de substitution isotopique des hydrogènes non échangeables dans la protéine s'est avéré être de 98%. En l'absence d'activité biochimique connue, les γE cristallines hydrogénées et deutériées ont été caractérisées par gel natif, par détermination du point isoélectrique et par des protéolyses limitées. Il n'y a aucune différence biochimique évidente entre ces formes de la protéine. D'autres caractérisations, par spectroscopie infrarouge et en dichroïsme circulaire, ont été employées pour étudier des différences significatives, mais aucune n'a été décelée. Les protéines hydrogénées et deutériées ont été cristallisées dans des tampons hydrogénés et deutériés. Les conditions de cristallisation, les groupes de l'espace et les paramètres de maille se sont avérés être les mêmes pour toutes les formes de la protéine. La comparaison de ces quatre formes de γE cristalline n'a indiqué aucune différence structurale évidente entre elles à une résolution atomique aux alentours de 1,4Å. Cependant, la variation de facteur d'agitation thermique des structures à une résolution identique (HγEh2o, HγEd2o et DγEh2o) dépend du marquage d'isotopique. Les structures de la protéine deutériée en H2O ou celle hydrogénée avec un tampon D2O ont un facteur d'agitation thermique plus bas. Par la suite, le modèle moléculaire de la γE cristalline a été obtenu à 1,36Å et quelques nouveaux détails étonnants de la protéine et du réseau de molécule d'eau entourant la protéine sont décrits dans ce rapport. Jusqu'à l'amélioration de la taille des cristaux, toute collecte de données par diffraction de neutrons ne peut pas être envisagée, mais d'une manière globale, nous avons prouvé que la perdeutériation n'induisait pas de changement structural de la protéine.

La diffusion de neutrons à petits angles (SANS) est une méthode utilisée pour l'étude d'une large variété de particules en solution. Combinée à un marquage isotopique et à la variation de contraste, elle permet d'obtenir des informations structurales uniques sur des complexes biologiques impliquant plusieurs partenaires, la rendant particulièrement intéressante pour l'étude des mécanismes de translocation. Dans les trois grands domaines de la vie, jusqu'à 30% des protéines doivent être sécrétées hors de la cellule ou intégrées dans sa membrane. Ces mécanismes complexes impliquent deux grands chemins de translocation qui dépendent de multiples protéines cytoplasmiques et membranaires.L'Holotranslocon est un large complexe protéique membranaire composé de sept sous-unités : le translocon triméric SecYEG et les sous-unités accessoires SecD-SecF-YidC-YajC. Cet assemblage peut sécréter des protéines vers l'extérieur de la cellule et en intégrer dans la bicouche lipidique. Nous avons utilisé une sélection de méthodes biophysiques pour analyser différentes stratégies de préparation et la diffusion de neutrons pour analyser les caractéristiques structurales de ce complexe. Nous avons étudié l'efficacité des protocoles actuels pour la production d'un échantillon suffisamment concentré et homogène mais aussi la possibilité d'utiliser des Amphipols comme substitut aux détergents classiquement utilisés pour la purification de ce complexe. Nous avons également tenter de deutérer HTL pour étendre les possibilités offertes par le SANS dans ce contexte. Alors que les caractérisations biophysiques utilisées n'ont pas permis d'améliorer les méthodes de préparation actuelles, la diffusion de neutron nous a permis de confirmer la présence de lipides au centre de la structure. Nous avons assuré la fiabilité de cette stratégie pour étudier des complexes bien définis, formés par plusieurs composants. Nous proposons des méthodes alternatives, basées sur la fluorescence ou la génération de lipodisques, pour l'étude de ce système complexe.Nous avons également étudié la protéine tétramérique SecB, une chaperonne moléculaire qui est impliquée dans l'adressage des substrats de translocation aux translocons membranaires. Puisque SecB interagit avec des partenaires cytosoliques et ses propres substrats, nous avons utilisé la diffusion de neutrons ainsi que le marquage au deutérium pour analyser des complexes pertinents dans le processus de translocation et impliquant jusqu'à trois partenaires : SecB, un substrat déplié et l'ATPase SecA. Nous avons utilisé les valeurs de "contrast match point" mesurées pour obtenir des informations sur la stœchiométrie et l'affinité des différents assemblages. L'analyse des rayons de girations a permis de localiser les différents composants au sein de ces complexes. De plus, nous avons montré que SecB s'étend lorsqu'elle reconnait son substrat et nous proposons un modèle fonctionnel, basé sur nos données, pour l'adressage des protéines textit{via} le chemin post-traductionnel.Dans l'optique de diversifier les applications du SANS pour les systèmes biologiques, nous avons étendus les protocoles utilisés pour la production de protéines partiellement deutérées textit{in vivo} aux lipides et acides nucléiques bactériens. Les niveaux de deutération ont été analysés grâce à la diffusion de neutrons, spectrométrie de masse ou résonance magnétique nucléaire. Sur la base de ces données, nous avons extrapolé les niveaux de deutération et "contrast match point" pour chaque type de biomolécule afin de pouvoir prédire les conditions de cultures optimales requises pour atteindre un marquage spécifique. Nous avons, de plus, développé une nouvelle stratégie permettant de marquer sélectivement les protéines tout en conservant un marquage minimal des autres types de molécules. / Small Angle Neutron Scattering (SANS) is a method that is used for the study of a wide range of particles in solution. Combined with isotope labelling and contrast variation approaches, it allows the extraction of unique structural information on biological complexes involving multiple partner molecules, making it a method of interest for the study of protein translocation mechanisms. In all three kingdoms of life, up to 30% of all proteins need to be secreted out of the cell or integrated into its membrane. These complex mechanisms involve two pathways of translocation that rely on multiple cytoplasmic and membrane proteins.The Holotranslocon (HTL) is a large membrane protein complex composed of seven subunits: the core trimeric translocon SecYEG and the accessory subunits SecD-SecF-YidC-YajC. This assembly can secrete proteins out of the cell or integrate them into the lipid bilayer. In this project, a range of biophysical methods and sample preparation strategies have been used to analyse the structural features of this complex by SANS. The efficiency of the current protocols to produce a concentrated and homogeneous sample have been investigated, as well as the use of an amhpipol molecules as a substitute to classical detergents for the purification of this complex. The deuteration of HTL was attempted to expand the capabilities of SANS in this context. While the biophysical characterization methods we used did not allow us to further improve the current preparation protocols, a key result was the fact that SANS confirmed the presence of lipids at the centre of the structure and the reliability of this analysis method for the study well-defined multi-component complexes was tested. Alternative methods for the analyses of this complicated system are proposed, including fluorescence-based assays or lipodisc formation.The tetrameric protein SecB was also studied; SecB is a molecular chaperone that is involved in the delivery of translocation substrates to the translocon. Since SecB interacts with cytosolic partners and its own substrate, SANS and deuterium labelling was used to analyse translocation-relevant complexes involving up to three partners: SecB, an unfolded substrate and the SecA ATPase. The measured contrast match point was used to obtain information on the stoichiometry and affinity of the various assemblies, and the radii of gyration was used to localize the different components within the complexes. It has also been shown that SecB expands upon substrate binding; a new working model for the post-translational targeting pathway has been proposed, based on these data.As a corollary to the work described above, protocols for textit{in vivo} protein deuterium labelling to the deuteration of textit{E. coli} lipids and nucleic acids have been developed and it is hoped that these may be of general value in widening the scope of SANS applications for the study of biological systems. the These approaches were characterized and evaluated by SANS, nuclear magnetic resonance and mass spectrometry. Based on these data, the relevant deuteration levels and contrast match points were extracted for each class of biomolecule so that the optimal culture conditions can be used to achieve a specific level of deuteration. In addition, a new strategy has been developed that allows the selective labeling of proteins while keeping the labelling of other classes of molecules to a minimum within a single culture.

La majorité des études structurales sur l’ADN avaient été réalisées par diffraction sur des fibres tandis que ses propriétés dynamiques thermiques avaient été étudiées en solution. Lorsque la double hélice d’ADN est chauffée elle présente des séparations locales des deux brins, dont la taille augmente avec la température jusqu’à la séparation complète des brins. Ce travail étudie différents aspects de ce phénomène. Les expériences présentées dans cette thèse ont été réalisées sur des films formés de fibres orientées d’ADN préparés par la méthode du ”filage humide“. La préparation et la caractérisation des échantillons en deux formes A et B de l’ADN ont constitué une partie importante de la recherche. Une méthode pour éliminer la contamination résiduelle de la forme B dans les échantillons de forme A a été mise au point. La bonne orientation des molécules d’ADN dans les échantillons nous a permis d’étudier les fluctuations dynamiques et la transition de dénaturation thermique de l’ADN par diffraction de neutrons, sensibles à la longueur de corrélation statique le long de la molécule en fonction de la température. La transition a été étudiée pour les formes A et B pour déterminer comment elle dépend de la conformation. De plus, après la première dénaturation thermique, les films d’ADN présentent un comportement typique d’un verre. Leur relaxation thermique a été étudiée par calorimétrie. La diffusion inélastique de neutrons et de rayons X (INS et IXS) avaient été utilisées antérieurement pour mesurer les phonons longitudinaux dans des fibres d’ADN, avec des désaccords entre les résultats. Des mesures INS récentes, complétées par des simulations, avaient été cruciales pour comprendre les différentes courbes de dispersion observées. Nous avons mené des expériences INS et IXS pour poursuivre cette analyse. Des tentatives pour observer les mouvements transversaux associés à la dénaturation thermique de l’ADN, jamais observés expérimentalement, ont également été faites. / The majority of structural studies on DNA have been carried out using fibre diffraction, while studies of its dynamics and thermal behaviour have been mainly performed in solution. When the DNA double helix is heated, it exhibits local separation of the two strands that grow in size with temperature and lead to their complete separation. This work has investigated various aspects of this phenomenon. The experiments reported in this thesis were carried out on films of oriented fibres of DNA prepared with the Wet Spinning Apparatus. Thus, sample preparation and characterisation are essential parts of the research. The structures of two forms of DNA, A and B, have been explored as a function of relative humidity at fixed ionic conditions. A method to eliminate traces of ever-present B-form contamination in A-form samples was established. The high orientation of the DNA molecules within the samples allowed us to investigate dynamical fluctuations and the melting transition of DNA using neutron scattering, which can provide the spatial information crucial to understand a phase transition, probing the static correlation length along the molecule as a function of temperature. The transition has been investigated for A and B-forms in order to understand its dependence on molecular configuration.Furthermore, after the first melting, denatured DNA films show typical glass behaviour. Their thermal relaxation has been explored using calorimetry.Neutron and X-ray inelastic scattering (INS and IXS) were used in the past to measure longitudinal phonons in fibre DNA, and the results shown disagreement. Recent INS measurements supported with phonon simulations have been crucial to understand the different dispersion curves reported to date. Experiments using INS and IXS have been carried out to continue with this investigation. Attempts to observe the transverse fluctuations associated to the thermal denaturing of DNA, never experimentally investigated before, have been made.